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內(nèi)容簡介

　　復(fù)雜不確定系統(tǒng)的綜合和設(shè)計(jì)一直是控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本書基于魯棒預(yù)測控制的滾動優(yōu)化，在線預(yù)測策略實(shí)現(xiàn)多約束條件的線性和非線性系統(tǒng)的魯棒鎮(zhèn)定和魯棒跟蹤，設(shè)計(jì)高效有穩(wěn)定性保證的非線性預(yù)測控制器。結(jié)合基于狀態(tài)空間魯棒控制新的參數(shù)依賴型Lyapunov-Krasovskii函數(shù)、不變集約束的優(yōu)化、混雜系統(tǒng)的分段仿射、模糊建模等技術(shù)，降低復(fù)雜系統(tǒng)*小*大化預(yù)測控制的保守性和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。作者多年來致力于復(fù)雜系統(tǒng)魯棒預(yù)測的算法、魯棒穩(wěn)定性、計(jì)算量等方面展開研究，本書綜合作者多年研究結(jié)果，結(jié)合具體工程項(xiàng)目，對魯棒預(yù)測控制的應(yīng)用做出有益探索。

作者簡介

　　劉志林，哈爾濱工程大學(xué)副教授，智能控制研究所副所長，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)，博士后，博士生導(dǎo)師。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)多項(xiàng)國家及省部級科研項(xiàng)目，目前在預(yù)測控制，船舶控制領(lǐng)域進(jìn)行研究。出版學(xué)術(shù)專著2部，以**或通訊作者發(fā)表SCI、EI檢索論文40余篇，獲得國防科技進(jìn)步獎一等獎2項(xiàng)，黑龍江省科技進(jìn)步獎二等獎1項(xiàng)。2014年入選中澳青年科學(xué)家學(xué)術(shù)交流計(jì)劃，與澳大利亞新南威爾士大學(xué)、西澳大學(xué)、科廷大學(xué)、莫納什大學(xué)、Austal Ship造船公司進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。2014年12月至2015年12月，德國杜伊斯堡艾森大學(xué)訪問學(xué)者。

圖書目錄

第１章　緒論…………………………………………………………………… １
１．１　本書的背景和意義…………………………………………………… １
１．２　模型預(yù)測控制的發(fā)展歷史…………………………………………… ２
１．２．１　ＭＰＣ發(fā)展的理論基礎(chǔ)………………………………………… ４
１．２．２　過程控制應(yīng)用………………………………………………… ５
１．３　模型預(yù)測控制的基本原理及特征…………………………………… ５
１．３．１　模型預(yù)測控制的基本原理…………………………………… ５
１．３．２　模型預(yù)測控制的特征………………………………………… ７
１．４　非線性模型預(yù)測控制的研究現(xiàn)狀…………………………………… ８
１．４．１　典型的非線性模型預(yù)測控制方案…………………………… ８
１．４．２　穩(wěn)定性與魯棒性研究………………………………………… １２
１．４．３　計(jì)算問題……………………………………………………… １４
１．４．４　非線性模型預(yù)測控制應(yīng)用…………………………………… １５
１．４．５　將來的研究展望……………………………………………… １５
１．５　本書的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排………………………………………… １６
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… １８
第２章　預(yù)測控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與基本方法………………………………… ２５
２．１　線性矩陣不等式……………………………………………………… ２５
２．２?。樱悖瑁酰?補(bǔ)和Ｓ過程…………………………………………………… ２５
２．２．１?。樱悖瑁酰?補(bǔ)……………………………………………………… ２５
２．２．２　Ｓ過程………………………………………………………… ２６
２．２．３　矩陣求逆……………………………………………………… ２６
２．３　不變集………………………………………………………………… ２７
２．３．１　不變集基本原理……………………………………………… ２７
２．３．２　控制約束的處理……………………………………………… ２８
２．４　模型預(yù)測控制的一般形式…………………………………………… ２９
２．４．１　問題描述……………………………………………………… ２９
２．４．２　性能指標(biāo)的上界……………………………………………… ２９
２．４．３　離散線性系統(tǒng)的預(yù)測控制算法……………………………… ３０
２．４．４　控制約束……………………………………………………… ３２
２．４．５　預(yù)測控制算法的改進(jìn)………………………………………… ３３
２．４．６　穩(wěn)定性分析…………………………………………………… ３４
２．５　魯棒預(yù)測控制………………………………………………………… ３６
２．６　本章小結(jié)……………………………………………………………… ３８
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ３８
第３章　時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒預(yù)測控制………………………………………… ４０
３．１　引言…………………………………………………………………… ４０
３．２　終端橢圓集約束的時(shí)滯系統(tǒng)預(yù)測控制……………………………… ４１
３．２．１　時(shí)滯系統(tǒng)的不變橢圓集……………………………………… ４１
３．２．２　終端橢圓集約束的預(yù)測控制………………………………… ４３
３．２．３　帶有混合約束的時(shí)滯系統(tǒng)預(yù)測控制………………………… ４７
３．２．４　仿真研究……………………………………………………… ４８
３．３　范數(shù)有界時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒預(yù)測控制………………………………… ５０
３．３．１　系統(tǒng)描述……………………………………………………… ５０
３．３．２　主要結(jié)果……………………………………………………… ５０
３．３．３　討論…………………………………………………………… ５６
３．３．４　仿真研究……………………………………………………… ５７
３．４　多胞型不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒模型預(yù)測控制……………………… ５９
３．４．１　系統(tǒng)描述……………………………………………………… ５９
３．４．２　主要結(jié)果……………………………………………………… ６０
３．５　多胞型時(shí)滯系統(tǒng)的準(zhǔn)Ｍｉｎ－Ｍａｘ魯棒預(yù)測控制…………………… ６３
３．５．１　問題描述……………………………………………………… ６３
３．５．２　仿真研究……………………………………………………… ６７
３．６　本章小結(jié)……………………………………………………………… ７２
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ７２
第４章　切換系統(tǒng)的魯棒預(yù)測控制………………………………………… ７４
４．１　引言…………………………………………………………………… ７４
４．２　模型描述……………………………………………………………… ７５
４．３　參數(shù)攝動切換系統(tǒng)預(yù)測控制………………………………………… ７６
４．３．１　問題１的解決………………………………………………… ７６
４．３．２　問題２的解決………………………………………………… ７９
４．３．３　問題３的解決………………………………………………… ７９
４．３．４　橢圓集的線性切換系統(tǒng)的魯棒控制………………………… ８０
４．３．５　仿真結(jié)果１ …………………………………………………… ８０
４．３．６　仿真結(jié)果２ …………………………………………………… ８１
４．４　時(shí)滯切換系統(tǒng)模型預(yù)測控制………………………………………… ８３
４．４．１　問題描述……………………………………………………… ８４
４．４．２　橢圓集與輸入約束的時(shí)滯切換系統(tǒng)ＭＰＣ算法…………… ８５
４．４．３　仿真研究……………………………………………………… ９０
４．５　本章小結(jié)……………………………………………………………… ９１
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ９１
第５章　分段仿射系統(tǒng)的魯棒預(yù)測控制…………………………………… ９３
５．１　切換系統(tǒng)的推廣―分段仿射系統(tǒng)…………………………………… ９３
５．２　分段仿射模型的建立………………………………………………… ９４
５．３　分段仿射系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題……………………………………… ９５
５．４　分段仿射系統(tǒng)的應(yīng)用………………………………………………… ９６
５．５　分段仿射系統(tǒng)的平衡點(diǎn)與區(qū)域劃分………………………………… ９８
５．５．１　分段仿射系統(tǒng)的平衡點(diǎn)……………………………………… ９８
５．５．２　分段仿射系統(tǒng)的區(qū)域劃分…………………………………… ９８
５．５．３　區(qū)域劃分的橢圓集表示……………………………………… ９９
５．５．４　平衡點(diǎn)與橢圓集的坐標(biāo)變換……………………………… １００
５．６　分段仿射系統(tǒng)的預(yù)測控制………………………………………… １００
５．６．１　問題描述…………………………………………………… １００
５．６．２　性能指標(biāo)的上界…………………………………………… １０１
５．６．３　終止區(qū)域劃分的橢圓集描述……………………………… １０２
５．６．４　分段仿射系統(tǒng)的預(yù)測控制算法…………………………… １０２
５．６．５　控制約束…………………………………………………… １０９
５．６．６　分段仿射系統(tǒng)的預(yù)測控制算法改進(jìn)……………………… １１０
５．６．７　穩(wěn)定性分析………………………………………………… １１２
５．７　多胞不確定ＰＷＡ系統(tǒng)的預(yù)測控制……………………………… １１３
５．７．１　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １１３
５．７．２　性能指標(biāo)優(yōu)化問題………………………………………… １１５
５．７．３　控制約束問題……………………………………………… １２０
５．７．４　穩(wěn)定性分析………………………………………………… １２１
５．７．５　仿真研究…………………………………………………… １２２
５．８　本章小結(jié)…………………………………………………………… １２４
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… １２４
第６章　非線性系統(tǒng)的魯棒模糊預(yù)測控制………………………………… １２８
６．１　引言………………………………………………………………… １２８
６．２　預(yù)備知識…………………………………………………………… １２８
６．２．１?。?－Ｓ模糊模型……………………………………………… １２９
６．２．２　模糊調(diào)節(jié)器………………………………………………… １３０
６．３　基于模糊調(diào)節(jié)器的魯棒非線性模型預(yù)測控制…………………… １３０
６．３．１　魯棒模型預(yù)測控制問題描述……………………………… １３１
６．３．２　無約束系統(tǒng)魯棒模型預(yù)測控制…………………………… １３１
６．３．３　約束系統(tǒng)魯棒模型預(yù)測控制……………………………… １３３
６．３．４　滾動實(shí)現(xiàn)的可行性………………………………………… １３５
６．３．５　閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性……………………………………… １３６
６．３．６　討論………………………………………………………… １３７
６．４　一種基于模糊模型的準(zhǔn)魯棒模型預(yù)測控制方法………………… １３７
６．４．１　問題描述…………………………………………………… １３７
６．４．２　準(zhǔn)魯棒模型預(yù)測控制……………………………………… １３８
６．４．３　滾動實(shí)現(xiàn)的可行性………………………………………… １４１
６．４．４　閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性……………………………………… １４２
６．４．５　討論………………………………………………………… １４３
６．４．６　仿真研究…………………………………………………… １４３
６．５　不確定模糊系統(tǒng)魯棒模型預(yù)測控制……………………………… １４４
６．５．１　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １４５
６．５．２　模糊不確定系統(tǒng)非線性鎮(zhèn)定……………………………… １４６
６．５．３　并行分布補(bǔ)償控制律……………………………………… １４９
６．６　基于狀態(tài)反饋的魯棒模型預(yù)測控制……………………………… １４９
６．６．１　魯棒性能指標(biāo)上界………………………………………… １４９
６．６．２　穩(wěn)定性約束………………………………………………… １５０
６．６．３　極小化問題………………………………………………… １５１
６．６．４　輸入約束…………………………………………………… １５２
６．６．５　輸出約束…………………………………………………… １５２
６．６．６　約束系統(tǒng)魯棒模型預(yù)測控制……………………………… １５４
６．６．７　滾動實(shí)現(xiàn)的可行性與魯棒性……………………………… １５４
６．７　基于并行分布補(bǔ)償控制器的魯棒模型預(yù)測控制………………… １５５
６．７．１　無約束魯棒ＭＰＣ …………………………………………… １５５
６．７．２　約束魯棒ＭＰＣ ……………………………………………… １５６
６．７．３　仿真研究…………………………………………………… １５８
６．８　基于Ｔ－Ｓ模型的非線性時(shí)滯系統(tǒng)預(yù)測控制…………………… １６０
６．８．１　系統(tǒng)描述…………………………………………………… １６０
６．８．２　主要結(jié)果…………………………………………………… １６２
６．８．３　仿真研究…………………………………………………… １６７
６．９　本章小結(jié)…………………………………………………………… １６９
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… １６９
第７章　非完整約束系統(tǒng)的預(yù)測控制研究………………………………… １７１
７．１　基本概念與問題…………………………………………………… １７１
７．１．１　非完整系統(tǒng)定義…………………………………………… １７１
７．１．２　移動機(jī)器人的非完整約束………………………………… １７１
７．２　移動機(jī)器人的建?！?１７３
７．２．１　笛卡兒坐標(biāo)系下的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型…………………… １７３
７．２．2分幾何工具……………………………………………………… １７８
７．４　移動機(jī)器人的可控性與可鎮(zhèn)定性………………………………… １８１
７．５　機(jī)器人模型的問題描述及跟蹤控制器設(shè)計(jì)……………………… １８２
７．５．１　針對模型的問題描述……………………………………… １８２
７．５．２　跟蹤控制器的設(shè)計(jì)………………………………………… １８６
７．５．３　仿真………………………………………………………… １８８
７．６　欠驅(qū)動無人艇的預(yù)測控制算法…………………………………… １９０
７．６．１　無人艇的欠驅(qū)動控制……………………………………… １９０
７．６．２　問題描述…………………………………………………… １９０
７．６．３　控制器設(shè)計(jì)………………………………………………… １９２
７．６．４　仿真結(jié)果…………………………………………………… １９８
７．７　本章小結(jié)…………………………………………………………… １９９
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ２００
第８章　高超聲速飛行器的再入預(yù)測控制………………………………… ２０１
８．１　引言………………………………………………………………… ２０１
８．２　高超聲速飛行器的再入非線性模型……………………………… ２０３
８．３　基于ＳＤＲＥ的再入控制器設(shè)計(jì)…………………………………… ２０４
８．３．１　基于奇異攝動理論的再入ＳＤＲＥ控制器………………… ２０５
８．３．２　仿真研究…………………………………………………… ２０７
８．４　基于ＳＤＲＥ的再入約束預(yù)測控制………………………………… ２０８
８．４．１　再入飛行器的外環(huán)預(yù)測控制……………………………… ２０８
８．４．２　再入飛行器的內(nèi)環(huán)預(yù)測控制……………………………… ２１２
８．４．３　仿真研究…………………………………………………… ２１３
８．５　控制受限的再入魯棒預(yù)測控制…………………………………… ２１３
８．５．１　基于參考模型的外環(huán)設(shè)計(jì)………………………………… ２１３
８．５．２　基于預(yù)測控制的內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)………………………………… ２１５
８．５．３　仿真研究…………………………………………………… ２１８
８．６　本章小結(jié)…………………………………………………………… ２２０
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ２２０
第９章　水面艇自主航跡跟蹤過程中的預(yù)測控制………………………… ２２２
９．１　引言………………………………………………………………… ２２２
９．２　水面無人艇航跡跟蹤控制系統(tǒng)建模……………………………… ２２３
９．３　坐標(biāo)系的建立……………………………………………………… ２２３
９．４　船舶的運(yùn)動方程和水動力分析…………………………………… ２２４
９．４．１　船舶的運(yùn)動方程…………………………………………… ２２４
９．４．２　船舶水動力分析…………………………………………… ２２５
９．５　舵機(jī)模型…………………………………………………………… ２２６
９．６　水面船舶航跡跟蹤控制模型……………………………………… ２２６
９．７　水面無人艇航跡跟蹤預(yù)測控制…………………………………… ２３０
９．８　拉格朗日乘子法處理輸入約束…………………………………… ２３２
９．９　仿真研究………………………………………………………… ２３４
９．９．１　不同預(yù)測時(shí)域的控制器仿真……………………………… ２３４
９．９．２　不同加權(quán)矩陣的控制器仿真……………………………… ２３５
９．１０　基于干擾觀測器的水面無人艇航跡跟蹤預(yù)測控制……………… ２３７
９．１０．１　干擾觀測器的設(shè)計(jì)………………………………………… ２３７
９．１０．２　基于干擾觀測器的模型預(yù)測控制器設(shè)計(jì)………………… ２３９
９．．１０．３　基于干擾觀測器的模型預(yù)測控制器穩(wěn)定性分析………… ２４２
９．１０．４　仿真研究…………………………………………………… ２４２
９．１１　模型預(yù)測控制在自航模航跡跟蹤上的應(yīng)用……………………… ２４６
９．１１．１　自航模系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)…………………………………… ２４６
９．１１．２　自航模系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)……………………………………… ２４７
９．１１．３　自航模系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………………………………… ２４８
９．１１．４　自航模航跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)………………………………… ２４９
９．１２　自航模航跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果…………………………………… ２５１
９．１２．１　無擾動自航模航跡跟蹤…………………………………… ２５１
９．１２．２　有擾動自航模航跡跟蹤…………………………………… ２５２
９．１３　本章小結(jié)…………………………………………………………… ２５４
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… ２５４